[논문]모델추종 적응제어기법을 이용한 초음속 고등훈련기의 고장허용제어기 설계

김승균; 이호진; 윤승호; 한용수; 김유단; 김종섭; 조인제

doi:10.5139/jksas.2009.37.5.464

모델추종 적응제어기법을 이용한 초음속 고등훈련기의 고장허용제어기 설계
Fault Tolerant Controller Design for Supersonic Advanced Trainer Using Model Following Adaptive Technique 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.5, 2009년, pp.464 - 469

김승균 (서울대학교 공과대학 기계항공공학부 대학원) , 이호진 (서울대학교 공과대학 기계항공공학부 대학원) , 윤승호 (서울대학교 공과대학 기계항공공학부 대학원) , 한용수 (서울대학교 공과대학 기계항공공학부 대학원) , 김유단 (서울대학교 공과대학 기계항공공학부) , 김종섭 (한국항공우주산업(주)) , 조인제 (한국항공우주산업(주))

초록
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본 연구에서는 기존의 초음속 고등훈련기 재형상 모드에 모델추종 적응제어 기법을 적용하여 새로운 개념의 고장허용 제어기를 설계하였다. 실제 비행제어 시스템에 적용할 수 있도록 제어기 설계와 자동 탑재코드 생성에 사용되고 있는 시스템을 이용하여 제어기를 구현하였다. 초음속 고등훈련기의 비실시간 비선형 검증도구로 사용되고 있는 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 성능을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a new fault tolerant controller based on a model following adaptive technique is applied to the reconfiguration mode of supersonic advanced trainer. The designed controller is applied to the flight control system of high performance aircraft. To verify the performance of the proposed ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 모델추종 적응제어기를 이용하여 초음속 고등훈련기를 대상으로 재형상 제어기를 설계하고, 대상 항공기에 대한 비실시간 비선형 시뮬레이션을 통하여 성능을 검증하였다. 모델추종 적응기법을 이용한 새로운 개념의 재형상 제어기는 고장에 대처하기 위한 고장허용제어를 수행할 수 있으며, 기존의 이득 스위칭 방식 재 형상 제어기를 대체할 수 있는 가능성을 보여주었다.
본 연구에서는 모델추종 적응제어기의 성능을 검증하기 위하여 작동기 고장상황을 고려하였다. 고장이 시각 t_f에 발생한다고 가정하고, 작동기 입력을 고장률에 따라 감소시키는 것으로 고장을 모델링하였다.

가설 설정

본 연구에서는 모델추종 적응제어기의 성능을 검증하기 위하여 작동기 고장상황을 고려하였다. 고장이 시각 t_f에 발생한다고 가정하고, 작동기 입력을 고장률에 따라 감소시키는 것으로 고장을 모델링하였다. 고장이 발생할 때 시간지연 없이 계단(step) 입력 형태로 발생하는 고장을 고려하면, 고장의 불연속에 의한 적분 알고리즘의 오류가 발생하게 된다.

제안 방법

고장이 발생할 때 시간지연 없이 계단(step) 입력 형태로 발생하는 고장을 고려하면, 고장의 불연속에 의한 적분 알고리즘의 오류가 발생하게 된다. 따라서 고장의 발생이 시간지연을 가지고 부드럽고, 빠르게 나타날 수 있도록 시그모이드(sigmoid) 함수를 이용하였다. 시그모이드(sigmoid) 함수를 이용한 고장신호 모델은 다음 식과 같다.
본 연구에서는 기존의 재형상 모드에 모델추종 적응제어 (MRAC: Model Following Adaptive Control) 기법을 적용하여 새로운 개념의 고장허용 제어기를 설계한 후, MATLAB Simulink 기반의 초음속 고등훈련시의 선형모델에 대하여 성능을 검증하였다. 또한 한국항공에서 제어기 설계와 자동 탑재코드 생성에 사용되고 있는 프로그램에 기반을 둔 제어기 설계를 수행하였다. 이를 비실시간 비선형 검증도구로 사용되고 있는 도구를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 그 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 MatrixX 프로그램을 이용하여 모델추종 적응제어기를 구현하였다. MatrixX로 작성된 모델추종 적응제어기는 비실시간 비선형 시뮬레이션을 수행하기 위한 자동코드(autocode)로 생성되며, 성능해석 프로그램에 제어기 서브 모듈로 이용된다.
현재 초음속 고등훈련기의 비행 모드는 정상 (Normal), 재형상 (Reconfiguration), 및 훈련(Training) 모드로 구성되어 있고, 재형상 모드의 경우에는 고장이 발생하면 기존의 제어이득에서 재형상 제어이득으로 전환하는 방법으로 설계되어 있다. 본 연구에서는 기존의 재형상 모드에 모델추종 적응제어 (MRAC: Model Following Adaptive Control) 기법을 적용하여 새로운 개념의 고장허용 제어기를 설계한 후, MATLAB Simulink 기반의 초음속 고등훈련시의 선형모델에 대하여 성능을 검증하였다. 또한 한국항공에서 제어기 설계와 자동 탑재코드 생성에 사용되고 있는 프로그램에 기반을 둔 제어기 설계를 수행하였다.
본 절에서는 MatrixX로 구현된 모델추종 적응 제어기의 성능을 검증하기 위해 비선형 시뮬레이션을 수행하였다.
또한 한국항공에서 제어기 설계와 자동 탑재코드 생성에 사용되고 있는 프로그램에 기반을 둔 제어기 설계를 수행하였다. 이를 비실시간 비선형 검증도구로 사용되고 있는 도구를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 그 성능을 검증하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 비행기의 제어면은 총 6개로 u = [ δES δAS δLS δEA δAA δR]T이다.
MatrixX로 작성된 모델추종 적응제어기는 비실시간 비선형 시뮬레이션을 수행하기 위한 자동코드(autocode)로 생성되며, 성능해석 프로그램에 제어기 서브 모듈로 이용된다. 프로그램 내에 구성된 제어기는 기존의 종/횡방향 제어기와 새롭게 설계된 모델추종 적응제어기로 구성된다.

성능/효과

결론적으로 본 연구에서 고려한 모델추종 적응제어기가 고등훈련기 비선형 모델에 대해 적용한 결과 재형상 제어기로서 충분한 역할을 수행하고 있다고 할 수 있다.
본 논문에서는 모델추종 적응제어기를 이용하여 초음속 고등훈련기를 대상으로 재형상 제어기를 설계하고, 대상 항공기에 대한 비실시간 비선형 시뮬레이션을 통하여 성능을 검증하였다. 모델추종 적응기법을 이용한 새로운 개념의 재형상 제어기는 고장에 대처하기 위한 고장허용제어를 수행할 수 있으며, 기존의 이득 스위칭 방식 재 형상 제어기를 대체할 수 있는 가능성을 보여주었다.
그림 6은 고장상황에 대한 종방향의 적응변수를, 그림 7-9는 횡방향의 적응변수를 보여주고 있다. 조종면 고장 발생 이전에 일정하였던 적응 변수들이 고장시점인 16초 이후 급격하게 변화하였고, 고장 이후에는 고장 이전과는 다른 값으로 수렴하여 정상상태를 유지하는 것이 확인되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제어법칙은 무엇을 위해 설계되어야 하나?	최근 항공기의 고장으로 발생될 수 있는 경제적 피해와 인명 손실에 대처하기 위해 고장허용 제어기(Fault Tolerant Control) 설계에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 제어법칙은 항공기의 최대 구조한계 내에서 요구되는 동력학적 요구조건, 안정성 및 기동성능을 부여하기 위해 설계되어야 한다. 또한, 이러한 요구조건을 이용하여 시스템의 기능에 따라 어떠한 제어모드를 적용할 것인지를 정의해야 한다.
	고장허용 제어기에 대한 설계 연구가 수행되고 있는 이유는?	최근 항공기의 고장으로 발생될 수 있는 경제적 피해와 인명 손실에 대처하기 위해 고장허용 제어기(Fault Tolerant Control) 설계에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 제어법칙은 항공기의 최대 구조한계 내에서 요구되는 동력학적 요구조건, 안정성 및 기동성능을 부여하기 위해 설계되어야 한다.
	제어법칙의 설계에 있어서 무엇을 정의해야 하나?	제어법칙은 항공기의 최대 구조한계 내에서 요구되는 동력학적 요구조건, 안정성 및 기동성능을 부여하기 위해 설계되어야 한다. 또한, 이러한 요구조건을 이용하여 시스템의 기능에 따라 어떠한 제어모드를 적용할 것인지를 정의해야 한다. 현재 초음속 고등훈련기의 비행 모드는 정상 (Normal), 재형상 (Reconfiguration), 및 훈련(Training) 모드로 구성 되어 있고, 재형상 모드의 경우에는 고장이 발생 하면 기존의 제어이득에서 재형상 제어이득으로 전환하는 방법으로 설계되어 있다.

참고문헌 (9)

이금진, 모델추종 적응제어기법을 이용한 재형상 비행제어시스템 설계, 석사학위 논문, 서울대학교 기계항공공학부, 2001.
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D. Shin, and Y. Kim, " Reconfigurable Flight Control System Design Using Adaptive Neural Networks", IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol.12, No.1, 2004, pp. 87-100.

상세보기
Slotine, J. J., and Li, W., Applied Nonlinear Control, Prentic-Hall International Inc, 1991.
조동현, 모델추종제어기법을 이용한 슬라이딩 모드 재형상 비행제어시스템 설계, 석사학위 논문, 서울대학교 기계항공공학부, 2003.
Shin, D., and Kim, Y., "Design of Reconfigurable Flight Controller using Sliding Mode Control-Actuator Fault," ICCA 2002, Oct. 16-19, 2002, pp. 245-248.
MatrixX SystemBuild User Guide, National Instruments, April 2004.

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